白玉兰在城市公园绿地群落中的根系分布*

罗玉兰 孙 丽 张冬梅 张 浪 张敬丽 李 玮

1 上海市园林科学规划研究院 上海 200232

2 上海城市困难立地绿化工程技术研究中心 上海 200232

3 云南农业大学 昆明 650201

4 上海世博文化公园建设管理有限公司 上海 200126

白玉兰(Magnolia denudata)为木兰科木兰属的落叶观花乔木,是上海市花,也是上海城市绿化建设中重要的“四化”树种之一[1]。通过对上海17个公园绿地的调查发现,白玉兰应用并不广泛[2]。究其原因,多数研究认为是白玉兰的肉质根系对上海高地下水位和高土壤pH值比较敏感[1,3,4]所致。植物地下根系的分布及健康状态直接影响地上部分的形态特征,对植物能否更好地适应群落环境、健康生长起着至关重要的作用。近年来,陈志华[5]、蔡施泽等[6]利用树木雷达检测并分析古树名木的根系分布情况和规律,提出古树保护及复壮的建议；蔡施泽[7]通过研究乔木根系分布特征与土壤蓄渗关系,认为周边硬质铺装的种植区域内宜选择根系分布较深的乔木；高踩踏频率区域应种植根系在浅层土壤分布较多的乔木。

目前,针对白玉兰在公园绿地的应用研究主要集中在种质资源[8]、品种选择[1,9]、栽培技术[10-11]、推广应用[12]等方面,对白玉兰根系的研究仅局限于根际菌根群落[13],关于白玉兰根系生长特征方面的研究还未见报道。本研究选取白玉兰种植量较大的3个公园绿地,采用树木雷达测定系统对白玉兰地下根系进行检测,从群落结构、植物配置等方面分析根系分布及生长状况,以期找出限制白玉兰长势的主要因子,为白玉兰在城市绿地中的推广应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以上海共青森林公园、闵行文化公园、世纪公园3个以白玉兰为特色的公园作为研究对象,3个公园的建园时间分别是1982年、2006年、2000年,位于杨浦区、闵行区以及浦东新区。在每个公园内选取1～4个以白玉兰为建群树种的群落(表1),按照白玉兰所处的立地环境划分成不同类型的样地,每一样地内选择3株规格、生长情况一致的白玉兰进行测定。

表1 白玉兰植物群落及根系调查样本

1.2 研究方法

1.2.1 植物生长调查

采用现场调查的方法,记录样地位置及群落内乔木树种种类、数量、植株高度、胸径和冠幅等,以及灌木和草本植物种类及生长状况。

1.2.2 根系测量方法

参照蔡施泽等[7]根系调查方法,使用美国Tree Radar公司开发的树木雷达系统(TRU)对白玉兰根系进行非入侵式探测。选用900 HZ规格对距离主干基部3 m、土层深度70 cm以内的根系进行测定。将获得的根系扫描波谱图导入TreeWinTM PRO根系分析软件,得到根系分布密度图和三维形态图,以及雷达扫描周长、根系分布范围及根系密度。

根据实际探测距离,水平方向以1 m为间隔进行根系划分,垂直方向分0～20 cm、21～40 cm、41～70 cm土层深度,将白玉兰地下根系划分成9个小区,计算每一小区中根系数量及其占根系总数的比重。根系数量(根)＝根系密度(根/m)×扫描线路距离(m)；各区根系数量占比(%)＝各区内根系数量/总根系数量×100%。

1.2.3 数据分析

采用Excel软件对根系数量进行计算,用DPS15.1软件对相关参数进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 白玉兰根系分布特征

从表2可以看出,在垂直方向上,距离主干1 m、2 m、3 m的白玉兰根系数量均随着土层垂直深度的增加而增加,其中41～70 cm土层中占总根系数量比例最高可达55.45%,在21～40 cm、0～20 cm土层中根系占比分别为26.65%、17.91%。

在水平方向上,白玉兰根系分布较均匀,为28.26%～36.46%,但在不同土层中,其根系数量变化趋势不一致(表2)。0～20 cm土层中,距离主干2 m的区域根系数量占比最高,为9.17%,其次为距离主干1 m和3 m的区域。21～40 cm土层中,距离主干2 m的根系数量占比最高,为9.92%,其次为距离树干3 m和1 m的区域41～70 cm土层,随着距离主干越远根系数量逐渐增加,在3 m处根系数量占比最高,达23.09%。

白玉兰根系数量在不同区域内的占比不相同(表2),集中分布在距离主干3 m、土层深度41～70 cm的区域,占总根系数量的23.09%；其次为距离主干2 m和1 m、土层深度41～70 cm的区域,分别为17.37%、14.89%；根系数量最少的区域位于距离主干3 m、土层深度0～20 cm的区域,仅占3.67%。

表2 白玉兰根系在不同土层中的分布 %

2.2 不同群落结构对白玉兰根系分布的影响

从图1可以看出,白玉兰根系总数变化范围较大,为353.74～1 292.46根,平均703.42根,其中mg3、gg1、gg5根系数量较多,达到1 000根以上；gg4最少,约350根,并与其他样地内的白玉兰存在极显著(P＜0.01)差异。

图1 不同样地内白玉兰根系数量比较

从表1、图1可知:闵行文化公园内3个乔灌草群落位于公园的不同立地环境,在根系数量方面差异明显,其中M2群落以合欢(Albizia julibrissin)、石楠 (Photinia serrulata)、高羊茅(Festuca arundinace)配置,mg3根系数量最多,植物生长势较强；M1群落内配置杜鹃(Rhododendron simsii)和白花三叶草(Trifolium repens),mg1和mg2根系数量较少,且与S8的乔草结构接近,均为白玉兰片林,两者没有显著差异。共青森林公园内4个乔乔群落中,G4和G7群落内的gg1、gg5根系数量较多,G7(河道边)与G6(林内)均以银杏(Ginkgo biloba)进行群落配置,但gg5根系数量比gg4的多一倍以上,两者存在着极显著(P＜0.01)差异。

2.3 不同光照位点对白玉兰根系分布的影响

2.3.1 乔木群落内白玉兰根系分布

从表1、表3、表4可以看出:白玉兰纯林G4内gg1受光均匀,其根系在不同土层中的分布较均匀,且数量较多,为300.01～442.59根。G5中的gg2、gg3位于同一群落内的同方位,根系主要分布在距离主干3 m、土层深度41～70 cm处。G6中的gg4和G7中的gg5由于种植方位不同,在根系分布方面存在着极显著差异(图2)。gg4根系数量随离主干距离增加呈减少趋势,依次为215.09根、123.42根、15.23根,主要分布在距离主干1 m、土层深度21～40 cm处；而gg5在距离主干3 m、41～70 cm土层深度中的根系数量最多,达到700根以上。

表3 乔乔配置下白玉兰根系数量在水平分布上的方差分析

表4 乔乔配置下白玉兰根系数量在垂直分布上的方差分析

图2 共青森林公园内白玉兰根系分布

2.3.2 乔草群落内白玉兰根系分布

从表1、表5、表6可看出:群落S8以白玉兰和时令草花构成,群内白玉兰种植较稀疏,为全日照。距离主干1 m、2 m的白玉兰根系数量为240.43～318.87根,在水平分布上无显著性差异；但在垂直方向,不同土层间根系数量变化较大,sg1根系主要分布在0～20 cm土层,而sg2和sg3根系主要分布在41～70 cm土层,且差异极显著(P＜0.01)。

表5 乔草配置下白玉兰根系数量在水平分布上的方差分析

表6 乔草配置下白玉兰根系数量在垂直分布上的方差分析

2.3.3 乔灌草群落内白玉兰根系分布

从表1、表7、表8可以看出:mg1、mg2均全日照,白玉兰根系总数在500根以上,水平和垂直方向上分布变化一致,根系数量随土层深度增加均呈递增趋势,主要分布在距离主干2 m、土层深度41～70 cm土层中。mg3和mg4受群落中其他树木的影响,为半日照,其中mg3配置有合欢、石楠、高羊茅,日晒方向为东、南；mg4配置有广玉兰 (Magnolia grandiflora)、桂花(Osmanthus fragrans)、高羊茅,日晒方向为南、西。mg3和mg4群落内白玉兰根系数量在水平分布上变化不一致,mg3根系数量在距离主干1 m处较多,比2 m处的多一倍以上,而mg4根系较多分布在距离主干2 m处；在垂直分布上,mg3和mg4根系主要分布在土层深度21～40 cm处,其次为41～70 cm、0～20 cm处。

表7 乔灌草配置下白玉兰根系数量在水平分布上的方差分析

表8 乔灌草配置下白玉兰根系数量在垂直分布上的方差分析

3 讨论

3.1 白玉兰根系分布特征

通过树木雷达系统(TRU)对所调查的8个群落内的白玉兰根系分布情况进行探测,结果发现不同样地内、不同规格的白玉兰根系分布范围为离主干2～3 m、深度70 cm以内,且在空间分布上呈梯度式增加,集中在距离主干3 m、土层深度41～70 cm的区域,占总根系数量的23.09%。武祖发等[15]通过对安徽省淮南县进行不同耕作、施肥条件下的玉兰根系分布调查,发现玉兰根系分布在68 cm土层以上。这可能是因为上海、安徽两地的土壤和气候等条件不相同,实验处理过程中的材料、方法等也不一致,但白玉兰根系在土壤中的垂直分布范围一致。白玉兰根系分布较浅的原因除了上海地区土壤板结、土壤积水及盐害[16]之外,可能最主要的原因在于其肉质根系的特征。

白玉兰根系在探测范围内没有明显的边界,在水平方向上分布较为均匀、延伸距离较远,但在垂直方向上根系数量逐渐增多,密集分布在41～70 cm土层,占总根系的55.45%。根据蔡施泽等[6]的根系空间型分类特征表述,与同属的广玉兰根系分布相一致,白玉兰根系为水平型根系。

3.2 群落结构对白玉兰根系分布的影响

本研究中8个以白玉兰为主要乔木层的群落结构是乔木＋乔木、乔木＋灌木＋草本、乔木＋草本,分别位于不同行政区域、不同建设年代的3个公园绿地中。木兰科观赏树种的生长与气温、日照、湿度等气象因子密切相关[17],不同群落结构的差异会产生不同资源的利用竞争,进而影响白玉兰地下根系的分布。共青森林公园建园时间较长,白玉兰种植密度相对较高,部分林下郁闭度达到0.6左右,G4纯林内的gg1白玉兰根系在各个土层内的分布较为均匀,且多数根系裸露在地表,呈现明显的水平型根系；G7群落位于阳坡及河边,周边种植高大的银杏,有利于白玉兰植物根系的生长。闵行文化公园和世纪公园内的白玉兰栽植年代较晚、种植密度稀疏,林下虽然种植灌木和草本植物,但树冠达不到相互遮荫程度,根系主要分布在20 cm以下的土层中。白玉兰根系对表层土壤温度较为敏感,较高地表温度导致植株根系向地下深处生长,但40 cm以下土层的土壤理化性状(土壤孔隙度、肥力等)较差,反而又影响了白玉兰肉质根的向下生长。

3.3 光照位点对白玉兰根系分布影响

本研究中M1、G4、S8群落内的白玉兰处于全光照下,由于受光均匀,其根系在水平方向上分布较均匀,但在垂直方向上,乔灌草(M1)、乔草(S8)配置结构内白玉兰根系随土层深度增加均呈递增趋势,集中分布在距离主干2 m、土层深度41～70 cm土层中。与白玉兰配置的乔木有银杏、广玉兰、合欢等,由于树种类型、种植位点等不同,导致白玉兰受日晒方位、日照时间等不一致,在根系数量及分布、生长势方面存在着显著性差异,种植在高大乔木东南侧(M2、G7)的白玉兰生长情况明显优于高大乔木东侧(G5、G6)、西南侧(M3)方向的。张宇鹏等[18]认为木兰科植物在高光、中光下容易产生光抑制作用,导致生产力下降,影响其正常生长。张苏峻等[19]通过测定白玉兰的净光合速率,认为白玉兰在生长盛期对环境因子敏感,空气湿度较低、水分短期亏缺会引起气孔关闭,产生午休现象。因此,在群落配置时,应在白玉兰西南侧种植高大的乔木,种植间距尽量保持白玉兰树冠在夏季高温天气处于遮荫状态,同时林下密植灌木和草本,以对土壤起到一定的降温和保湿作用,这样不仅可以保证其地上部分避免夏季强光直射,还可以使根系处于适宜的环境。

采用树木雷达系统(TRU)探测根系分布情况虽然减少了对白玉兰根系的损伤,但是由于自然条件相对比较复杂,例如死亡的根系、土壤中留存的其他植物根系等等,这些情况都很难被辨别出来；同时群落内根系地下层成性的研究较困难,不能区分不同植物的根系,特别是种植距离较近的两株植物,造成根系数量的重复统计,因此还应在实验室限定条件下进一步验证。另外,在实验方案设计时,未考虑到土壤条件、种植年限、群内其他植物等方面对植物根系的影响,后续还需增加同一公园内不同群落类型、同一群落内不同光照位点和不同树种的根系分布,进一步从根系生态位、根冠分配等方面开展深入研究。

4 结论

白玉兰根系为肉质根,在土壤中的分布相对较浅,主要分布于70 cm深度的土层范围以内。白玉兰根系分布在垂直和水平方向上均呈现一定的规律性,即根系数量随土层加深呈递增趋势,且均匀分布在距离主干1 m、2 m、3 m处。

在所调查的8个群落内,与白玉兰配置的植物共有9种,形成了乔乔、乔灌草、乔草3种群落结构,不同群落结构的差异影响着白玉兰地下根系的生长和分布,其中由合欢、石楠、高羊茅配置形成的乔灌草群落内的白玉兰根系数量最多,生长势较强。白玉兰对环境因子较为敏感,长时间的高温直晒或西晒不利于白玉兰根系的生长,将其种植于高大乔木或建筑物的东南侧,同时林下密植灌木和草本,能促进白玉兰根系的生长,充分利用不同层次土壤中水分和养分,进而提升群落的稳定性。